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由RNA聚合酶所完成的遺傳信息自DNA至RNA的傳遞是中心法則的重要過程。在真核生物中，除了經(jīng)典的RNA聚合酶I（Pol I）、Pol II、Pol III之外，在植物中有兩類特殊的RNA聚合酶：Pol IV和Pol V，特異性生成非編碼RNA，通過植物特有的RNA指導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）通路指導(dǎo)DNA甲基化的發(fā)生。其中Pol IV主要和RDR2共同合成雙鏈RNA由DCL3切割生成上游信號(hào)siRNA，而Pol V則負(fù)責(zé)在下游生成長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA）作為支架招募下游的DNA甲基化酶和基因沉默因子。因此與其他RNA聚合酶相比，Pol V是一種不以生產(chǎn)并釋放RNA產(chǎn)物為目的，而是以染色質(zhì)定位為主要目的的RNA聚合酶。其自身的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄和靜態(tài)染色質(zhì)定位形成了鮮明的矛盾。在前期解析了上游siRNA生物合成中DCL3的作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授杜嘉木課題組進(jìn)一步針對(duì)RdDM下游Pol V獨(dú)特的性質(zhì)開展研究取得了重大突破，近日以“Structure and mechanism of the plant RNA polymerase V”為題在線發(fā)表在Science雜志上。

圖1. 真核生物中五類RNA聚合酶

Pol V在植物體內(nèi)豐度非常低，不適宜于開展結(jié)構(gòu)測(cè)定工作，研究人員經(jīng)過多年的探索，在中科院院士曹曉風(fēng)研究員的建議下，采用食用花菜作為原料純化并解析了Pol V的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。盡管整體結(jié)構(gòu)與其他RNA聚合酶類似，Pol V在活性位點(diǎn)體現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。在RNA聚合酶打開雙鏈DNA底物的位點(diǎn)，Pol V的第二個(gè)亞基NRPE2利用一個(gè)酪氨酸卡在DNA雙鏈打開的位置，阻滯了DNA的向前行進(jìn)。酶活實(shí)驗(yàn)也證實(shí)DNA的轉(zhuǎn)錄在雙鏈打開處有明顯的轉(zhuǎn)錄停頓現(xiàn)象。此外，與大多數(shù)RNA聚合酶中非模版鏈DNA較為松散不同，Pol V中非模版鏈DNA被其NRPE2亞基緊密結(jié)合，NRPE2亞基如同轉(zhuǎn)錄的剎車板一樣，阻滯轉(zhuǎn)錄的同時(shí)還增強(qiáng)了Pol V的轉(zhuǎn)錄回溯，與Pol II相比，造成強(qiáng)烈的RNA產(chǎn)物降解，如果破壞了Pol V與非模版鏈的互作，則可大大減弱這種回溯降解。因此，Pol V利用了多種機(jī)制，一方面阻礙轉(zhuǎn)錄的行進(jìn)，另一方面增強(qiáng)回溯，造成了其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在染色質(zhì)上踟躕不前，防止轉(zhuǎn)錄完成造成的染色質(zhì)脫落，更好的行使了染色質(zhì)定位的功能。

圖2. Pol V的整體結(jié)構(gòu)

總體來講，該工作解析了最后一種結(jié)構(gòu)未知的真核RNA聚合酶，Pol V，的功能機(jī)制，提出其通過滯留在染色質(zhì)上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

南科大生命科學(xué)學(xué)院博士生謝國輝、高級(jí)研究學(xué)者杜璇和訪問學(xué)者胡泓淼為該論文共同第一作者，南科大為論文第一單位，杜嘉木為論文的通訊作者，加州大學(xué)洛杉磯分校院士Steven E. Jacobsen、中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所院士曹曉風(fēng)和深圳大學(xué)教授李思思參與了課題。該工作得到了深圳市科創(chuàng)委、中國博士后基金會(huì)、國家自然科學(xué)基金及中科院的支持，冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集和質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)分別獲得了南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心和分析測(cè)試中心的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231